分数阶黏弹性不可压缩油气井管杆动态力学响应

基于分数导数和弹性力学理论,将油气井管杆模型简化为黏弹性圆柱管,建立了轴对称情况下不可压缩黏弹性圆柱管的运动控制方程,由不可压缩性假定直接得到了位移解形式,利用Laplace变换求解得到了油气井管杆环向位移和应力的解析解。数值算例分析结果表明:分数导数的阶数、模型常数比和管杆内外半径比对油气井管杆径向位移有较大的影响,且径向位移随频率变曲线存在峰值,分数导数的阶数和模型常数比越大,则峰值越小,峰值对应的频率越大,而内外半径比的影响则相反;分数导数的阶数、模型常数比和管杆内外半径比对油气井管杆对环向应力和竖向应力有较大的影响,而对径向应力的影响校对较小。     

基于分数阶Kelvin黏弹性模型的固体推进剂药柱应力分析

利用黏弹性材料本构关系的Laplace变换与弹性材料的形式相似性,得到了分数阶Kelvin黏弹性模型弹性模量和泊松比的Laplace变换解.将固体推进剂药柱视为黏弹性介质,并利用分数阶Kelvin本构模型来描述其应力-应变关系.在推进剂药柱应力弹性解的基础上,运用弹性-黏弹性对应原理得到了分数阶Kelvin黏弹性模型描述的推进剂药柱在均布内压作用下内力的拉氏解,通过Laplace逆变换求得了其时域解.研究结果表明:推进剂药柱径向应力总是压应力,而环向应力总是拉应力,分数阶Kelvin黏弹性模型的解可以退化到经典Kelvin黏弹性模型的解,分数导数的阶数越大,应力的绝对值越大.     

套管-水泥环-地层耦合系统热应力理论解

根据弹性力学和热力学理论,推导了套管-水泥环-地层耦合系统的热应力和热位移理论计算公式,分析了系统热应力和热位移径向分布规律,以及套管温升、弹性模量、热膨胀系数、壁厚、水泥环与地层弹性模量和泊松比等参数对套管热应力和热位移的影响.结果表明:随着离套管中心径向距离的增加,径向热位移和热应力先增大后减小,最大值分别位于地层和套管外壁,而套管上Von Mises应力值迅速下降,最大值位于套管内壁;随着套管温升和套管、水泥环、地层弹性模量与热膨胀系数的增加,套管内壁Von Mises应力和外壁径向压力增大,其中套管参数变化对计算结果影响更明显.在进行稠油热采井套管抗挤毁强度计算时,应考虑热膨胀在套管外壁产生的径向压应力的影响.     

背管刚度对钢材应力分布与温度位移的影响

考虑大坝背管环向拉裂，取用了合适的环向等效弹性模量值，算出了相应的环向钢材应力．并探讨了背管刚度对钢材应力分布的影响；同条件下，用弹性力学得出了背管在任意半径处的温度径向位移计算公式，并探讨了背管刚度对背管温度位移的影响．     

一种非均匀地应力下椭圆井眼套管-水泥环-地层力学特性半解析解

为研究井壁崩落形成椭圆形井眼后套管受力情况,在弹性力学理论的基础上,结合复变函数方法建立了非均匀地应力作用下椭圆形井眼内套管-水泥环-地层组合体应力模型,根据应力边界条件与位移单值条件得到了系统各界面处应力分布的半解析解;并探究了井眼椭圆度、水泥环弹性模量和泊松比对套管外壁径向应力与Mises 应力的影响。研究结果表明：与圆形井眼相比,椭圆形井眼能减小套管所受最大应力,降低应力非均匀度;高泊松比、低弹性模量水泥环也有利于减小套管受力。研究成果对井壁崩落段地层钻井液密度、套管规格选取和固井水泥性能设计具有重要的指导意义。     

深水浅部地层水泥环应力分布规律研究

位于深水浅部地层的固井水泥环面临十分复杂的环境,目前针对深水浅层水泥环力学分布规律的研究较少。研究深水浅层水泥环应力分布规律,对于预测水泥环的完整性,防止安全事故的发生具有十分重要的意义。以弹塑性力学理论为基础,运用ABAQUS有限元软件,建立套管-水泥环-深水浅层组合体模型,分析不同因素对水泥环应力分布规律的影响;并得出以下结论:水泥环内壁为危险界面;随套管内压的增加,水泥环径向压应力逐渐增大,水泥环周向应力由压应力状态向拉应力状态过渡,水泥环的失效形式主要是周向拉伸破坏;水泥环弹性模量越大,其周向拉应力和径向压应力越大,而水泥环泊松比对应力分布规律的影响规律相反;深水浅部地层弹性模量和泊松比越大,水泥环越安全;水泥石在硬化过程中传递深水浅部地层孔隙压力在一、二界面产生初始应力,该力能减小水泥环周向拉伸破坏风险,有利于维持水泥环完整性。     

温-压耦合作用下水泥环参数对套管应力影响

套管应力的准确计算是保证井筒完整性的重要基础;但现有理论直接将地应力加载到模型中,计算所得的位移场包含了地层在原始构造应力下所产生的位移;而此位移并非是钻开井眼后所产生的,这样就会对套管应力的计算产生影响。在原有模型基础之上,消除了原始构造应力所产生的位移,建立井筒组合体温-压耦合模型。根据弹性理论,由界面应力、位移连续性条件,推导了组合体在温度和压力共同作用下的应力解析解。研究了水泥环弹性模量、泊松比和厚度对套管应力的影响规律。结果表明,对于低弹性模量的地层,现有模型的套管应力计算值远远高;对于高弹性模量地层会低。对于不同水泥环泊松比,现有模型计算值低。水泥环厚度较小时,现有模型计算值偏高;较大时则偏低。由此可见现有模型存在一定的差异,尤其是对于低弹性模量地层,需要对现有模型进行修正,才能为水泥环参数设计提供正确的理论指导。     

沥青路面黏弹性泊松比近似方法的比较

为了准确应用黏弹性泊松比分析沥青路面在车轮荷载作用下的动态响应,针对3种常用的黏弹性泊松比近似方法进行了比较研究.推导了这3种黏弹性泊松比(随时间变化泊松比、不可压缩泊松比和常数泊松比)的数值关系,进而建立了一种三维沥青路面黏弹性有限元模型,比较分析了不同温度、不同加载时间下,3种黏弹性泊松比近似方法对沥青路面横向正应力响应的影响.结果表明:不可压缩泊松比始终保持为0.5,适用于高温、低频加载条件;常数泊松比始终保持为0.1,适用于低温、高频加载条件;随时间变化泊松比在0.1～0.5之间变化,应用不受温度与加载模式的限制.采用正确的黏弹性泊松比近似方法对于流动性车辙的研究有重要意义.     

热固耦合作用下的套管-水泥环-地层多层组合系统应力分析

考虑非均匀地应力、内压和地层高温对高温高压井套管-水泥环-地层多层组合系统的作用,应用弹性力学理论,结合边界条件、接触条件和连续条件,获得热固耦合作用下套管-水泥环-地层多层组合系统应力分布的解析解。讨论水泥环厚度、弹性模量、泊松比、地层温度、套管-水泥环层数对最内层套管内壁Mises应力分布规律的影响。研究结果表明:上述因素对最内层套管内壁Mises应力的分布均有影响;对比套管-水泥环-地层的单层和多层组合系统,多层组合系统的最内层套管内壁的Mises应力较单层系统明显降低,这说明多层组合系统具有重要的工程价值。     

承压叠层圆柱的弹性分析

基于弹性理论,对轴向压力作用下的、由不同材料于径向方向上叠合而成的叠层圆柱的受力全过程进行力学分析,以研究轴向荷载作用下圆柱任意位置的应力值和应变值.考虑了三向应力的作用,分别求得每一叠层的弹性力学解,然后通过层间变形协调关系,建立了叠层圆柱从内叠层内边界到外叠层外边界间的递推关系,最后通过内外边界条件可对叠层圆柱内任意点的应力和应变进行求解.以3种不同形式的叠层承压圆柱为例,运用上述理论,对其弹性阶段的承载力进行了分析,该理论由于考虑了不同叠层泊松比所引起的叠层间挤压应力的影响,因而理论计算与有限元吻合很好.     

各向异性功能梯度夹层圆环的弹性分析

为了研究各向异性功能梯度夹层圆环在内外压作用下的弹性问题,假设功能梯度过渡层的材料性质为沿径向呈幂函数连续变化的形式,泊松比为常量,基于弹性力学理论,采用逆解法,引入变量φ,将轴对称问题的控制方程转化为关于φ的欧拉方程,从而由边界条件以及连续性条件求得整体结构平面应力问题的封闭解。最后通过算例分析了材料的非均匀特性和各向异性对应力和位移分布的影响。研究结果表明,梯度参数的增大,可改善结构内径向应力以及径向位移分布,但同时也会增大靠近外层区域、尤其是过渡层与外层材料交界处的环向应力。各向异性参数的增大,会导致结构内环向应力的最小和最大值由过渡层和内外层材料交界处逐渐向内外边界转移。     

新建盾构隧道下穿既有隧道剪切错台变形计算

采用剪切错台模型,研究新建盾构隧道正交下穿对上方既有地铁盾构隧道的影响.考虑新建隧道下穿时刀盘附加推力、盾壳摩擦力以及注浆附加压力在既有隧道轴线处产生的附加应力,将既有地铁盾构隧道简化为由剪切弹簧连接的弹性地基短梁,运用最小势能原理并采用合理的位移试函数,建立计算方程来求解既有隧道的竖向位移值、盾构环之间的错台量、环间剪切力值以及这三者随着新建隧道掘进的三维变化过程.研究结果表明:用剪切错台模型和最小势能原理计算得到的既有盾构隧道竖向位移值与实测值较为吻合;既有盾构隧道竖向位移最大值处的隧道错台量接近0,在竖向位移曲线的反弯点处隧道错台量和环间剪切力值最大;随着新建隧道的掘进,既有隧道的竖向位移、错台量和环间剪力值不断增大,最后趋于稳定.     

注蒸汽热采井套管损坏机理研究

考虑环空水泥环在轴向和径向给予套管柱的弹性约束和摩擦约束，对注汽期间套管柱产生的轴对称热胀应力进行了近似分析，分析发现，在封隔器附近靠近接箍端面的地方，套管柱可能产生严重的缩颈变形，其变形值和套管柱受热膨胀时接箍端面对水泥环台肩的推力有关系。研究结果表明，大部分注蒸汽热采井的套管损坏位置都集中于油藏盖层内，其原因是存在着和局部缩颈变形相对应的恶性局部应力，必须设法控制这种局部应力才能延长套管柱的使     

注蒸汽热采井套管损坏机理研究

考虑环空水泥环在轴向和径向给予套管柱的弹性约束和摩擦约束，对注汽期间套管柱产生的轴对称热胀应力进行了近似分析．分析发现，在封隔器附近靠近接箍端面的地方，套管柱可能产生严重的缩颈变形，其变形值和套管柱受热膨胀时接箍端面对水泥环台肩的推力有关系．研究结果表明，大部分注蒸汽热采井的套管损坏位置都集中于油藏盖层内，其原因是存在着和局部缩颈变形相对应的恶性局部应力，必须设法控制这种局部应力才能延长套管柱的使用寿命．     

积分型黏弹性土中球形空腔的稳态振动分析

在球对称情况下,利用积分型黏弹性本构关系建立了土体的振动微分方程。采用积分型分数阶Kelvin黏弹性本构关系描述土体的应力应变关系,借助Fourier变换和势函数求解了积分型分数阶黏弹性土中球形空腔的稳态振动,考虑边界条件得到了球形空腔的径向位移和应力。研究结果表明:分数导数的阶数、无量纲化的土体阻尼比和土体的模量比,对积分型分数阶黏弹性本构关系描述的土中球形空腔的稳态振动有较大的影响,分数导数的阶数和土体的模量比对球形空腔稳态振动的影响与频率有关。     

考虑热固耦合作用的高温高压井井筒完整性分析

以高温高压井套管-水泥环-地层为研究对象,建立套管-水泥环-地层组合系统的热固耦合模型,结合边界条件和连续条件,得到相应的应力解析解,并与有限元结果进行对比,验证了解析方法的计算精度.通过分析热固耦合作用下的解析解和不考虑热载荷的解析解,发现热载荷对整体等效应力的影响较大.采用Mises、Drucker-Prager及Mohr-Coulomb屈服准则定义失效系数评价套管-水泥环-地层组合系统的井筒完整性.讨论了水泥环弹性模量、泊松比、非均匀地应力系数、地层温度、套管内压等参数对套管内壁、水泥环内壁及第一、二胶结面失效系数的影响.上述因素对套管内壁、水泥环内壁及第一、二胶结面失效系数均有影响;第一胶结面失效系数较高,对井筒完整性影响较大.     

无缝钢管冷轧成型过程的数值模拟

本文采用非线性有限元法对无缝钢管的冷轧成型过程进行了数值模拟,得到了钢管在整个冷轧过程包括稳定轧制和钢管冷轧脱模后各个位置的位移场和应力应变场.根据数值计算结果绘制了钢管的轴向、环向及径向应力分布,并根据应力分布特点解释了钢管在冷轧过程中,不同的减径量如何影响成品管直径和壁厚精度的机理.数值计算结果表明:不同减径量情况下,稳定轧制阶段减径量的大小对钢管内外壁径向应力影响较小;对于环向应力,减径量越大,钢管外壁环向拉应力越大,而内壁环向压应力则越来越小;轴向应力同样与减径量的大小成反比例关系.残余应力沿圆周方向有明显不同,较小的轴向拉应力和较大的径向拉应力有利于轧制后轴向变形,较小的减径量有利于接近理论壁厚,但冷轧脱模后钢管直径大于理论直径.研究成果对于无缝钢管冷轧成型工艺设计以和轧辊孔型设计具有参考价值.     

不同应力路径下砂岩的宏细观力学响应特性

为了研究应力路径对砂岩的宏观、细观力学响应的影响,基于颗粒离散元方法构建了空心圆柱试样并开展了6组不同应力路径的试验,分别研究了砂岩试样在不同应力路径下的宏观应力-应变响应,以及细观法向与切向接触力的分布规律。研究结果表明：当试样内围压相同时,随着外围压的增加,试样破坏时的体积应变也随之增加,即试样的膨胀现象愈加明显;当试样的外围压相同时,随着试样内围压的增加,试样破坏时的体积应变随之先增长后减小。在中主应力系数不为0时,中主应力系数越大,试样的径向应变与环向应变之和的绝对值越大。在内围压相等的情况下,随着外围压的增加,试样的法向接触力增加。当外围压相等,内围压增大时,试样的法向接触力减小。     

竖井井壁竖向附加力的理论计算方法

从弹性力学的空间轴对称问题出发,从理论上推导建立了竖井竖向附加力的应力表达式.分析该应力表达式可知,在竖向附加力作用下,井壁所受的径向、环向压应力值均为零,竖向附加力对井壁的作用主要体现为轴向压应力,且轴向应力在沿井壁厚度方向几乎无变化,因而可以将作用在井壁外侧的竖向附加力等效为作用在井壁横截面上的均布力.利用该应力表达式对某铁矿竖井井壁竖向附加力进行了计算,得到了井壁应力状况.     

蒸汽压力作用下黏弹性半平面问题的断裂分析

研究了蒸汽压力作用下黏弹性半平面的断裂问题.利用Fourier变换法、Jacobi多项式方法和黏弹性对应原理,获得了弹性和黏弹性半平面中裂纹的应力强度因子、张开位移和滑移位移.数值算例揭示了蒸汽压力作用下弹性半平面中裂纹应力强度因子与回流焊时间、几何尺寸的关系,以及黏弹性参数对裂纹张开位移和滑移位移稳态和瞬态响应的影响.